Lý Thuyết Anten Và Truyền Sóng

Độ rộng của đồ thị phương hướng  Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổ

CÂU HỎI:

1 Trình bày Sự phân cực của sóng điện từ.

2 Cấu tạo của tầng điện ly.

Tầng điện tồn tại ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu do năng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự do và các ion Tính chất đặc biệt của tầng điện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện Lợi dụng sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly.

3 Thế nào là tần số giới hạn, tần số phản xạ, góc xiên lớn nhất khi truyền sóng trong tầng điện ly là gì?

4 Tính toán cự ly nhìn thấy trực tiếp khi truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp của dòng điện từ cong khỏi mặt đất

5 Thế nào là hàm tính hướng của anten Độ rộng của đồ thị phương hướng

 Hàm tính hướng là hàm số biểu thị sự phụ thuộc của cường độ trường bức xạ của anten theo

các hướng khác nhau trong không gian với khoảng cách không đổi, được kí hiệu f(θ , φ)

Dạng tổng quát:

 Độ rộng của đồ thị hướng tính là góc giữa 2 hướng mà hướng đó công suất bức xạ giảm

Hình: Độ rộng của đồ thị phương hướng

-Góc bức xạ 0 (2θ0 ) , P bức xạ giảm 0

- Góc bức xạ 2θ1 /2(θ 3 dB) , P bức xạ giảm

Như vậy độ rộng thể hiện tính chất tập trung năng lượng bức xạ theo hướng làm việc

6 Định nghĩa biểu thức của hệ số tính hướng

- Hệ số hướng tính Hệ số hướng tính của anten ở hướng đã cho là tỷ số giữa mật độ công suất bức xạ của anten ở hướng đó trên mật độ công suất bức xạ của anten chuẩn ở cùng hướng với khoảng cách không đổi, với điều kiện côngsuất bức xạ của hai anten là như nhau

7 Định nghĩa biểu thức của hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại)

- Hệ số khuếch đại của anten được dùng nhiều trong thực tế kỹ thuật, nó đặc trưng cho anten cả về đặc tính bức xạ (hướng tính) và khả năng làm việc (hiệusuất) của anten Hệ số khuếch đại của anten cho thấy rằng anten có hướng tính

sẽ bức xạ năng lượng tập trung về hướng được chọn và giảm năng lượng bức

xạ ở các hướng khác Chính vì vậy mà nó còn được có thể được gọi là hệ số tăng ích hay độ lợi của anten

+ Kích thước giống nhau, đặt thẳng hàng trong không gian

+ Ở giữa nối với nguồn điện caotần

- Sử dụng như anten hoàn chỉnh, hay cấu tạo nên anten phức tạp

* Chiều dài hiệu dụng của chấn tử đối xứng

- KN: Là chiều dài tương đương của một chấn tử có dòng điện phân bố đồng đều và bằng dòng điện đầu vào của chấn tử thật với diện tích phân bố dòng điện tương đương

9 Sự phân cực của sóng điện từ

• KN: Trường phân cực là trường điện từ với các vecto E và H có thể xác định được hướng tại thời điểm bất kỳ (biến đổi có tính quy luật)

Ngược lại là trường không phân cực (biến đổi ngẫu nhiên trong không gian)

• Mặt phẳng phân cực: Là mặt phẳng chứa vec tơ E và phương truyền lan sóng (vecto Z)

• Phân loại

- Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố định khi sóng truyền lan

+ Phân cực đứng: Vecto E vuông góc với mặt phẳng nằm ngang

+ Phân cực ngang: Vecto E song song với mặt phẳng nằm ngang

- Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục của phương truyền lan + Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ lên đường tròn) + Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục vẽ lên đường elip

- Quay phải: Quay thuận chiều kim đồng hồ

- Quay trái: Quay ngược chiều kim đồng hồ

Các dạng phân cực sóng:

10 Phương thức lan truyền sóng vô tuyến trong môi trường thực

* Có bốn phương thức lan truyền sóng trong không gian thực:

- Lan truyền sóng bề mặt:

+ Sóng bề mặt truyền lan tiếp xúc trực tiếp với bề mặt trái đất Bề mặt quả đất là mộtmôi trường bán dẫn điện, khi một sóng điện từ bức xạ từ một anten đặt thẳng đứng trên mặt đất, các đường sức điện trường được khép kín nhờ dòng dẫn trên bề mặt quảđất Nếu gặp vật chắn trên đường truyền lan, sóng sẽ nhiễu xạ qua vật chắn và truyềnlan ra phía sau vật chắn

+ Như vậy sự truyền lan sóng bề mặt có thể dùng để truyền tất cả các băng sóng Tuynhiên, sóng bề mặt bị suy giảm nhiều do sự hấp thụ của trái đất Sự suy giảm phụ thuộc vào tần số, khi tần số tăng thì sự suy giảm càng lớn Hơn nữa khả năng nhiễu

xạ qua vất chắn trên đường truyền phụ thuộc vào độ cao tương đối của vật chắn so với bước sóng

+ Với các loại đất có độ dẫn điện lớn như mặt biển, đất ẩm thì sóng ít bị suy hao trong đất, làm cho cường độ trường tại điểm thu tăng lên Các sóng vô tuyến điện có bước sóng lớn khả năng nhiễu xạ mạnh và bị mặt đất hấp thụ nhỏ Bởi vậy sóng bề mặt được sử dụng để truyền lan các băng sóng dài và sóng trung như trong hệ thống phát thanh điều biên, hay sử dụng cho thông tin trên biển

- lan truyền sóng không gian

+ Lớp khí quyển bao quanh quả đất có độ cao từ 0 đến 11km (với tầng đối lưu tiêu chuẩn), gọi là tầng đối lưu Các hiện tượng thời tiết như sương mù mưa, bão, tuyết đều xẩy ra trong tầng đối lưu và ảnh hưởng rất lớn đến quá trình truyền lan sóng vô tuyến điện

+ Nếu hai anten thu và phát đặt cao (nhiều lần so với bước sóng công tác) trên mặt đất thì sóng có thể truyền trực tiếp từ anten phát đến anten thu, hoặc phản xạ từ mặt

đất, hoặc lợi dụng sự không đồng nhất của một vùng nào đó trong tầng đối lưu để tán

xạ sóng vô tuyến dùng cho thông tin gọi là thông tin tán xạ tầng đối lưu Các phươngthức thông tin như trên gọi là truyền lan sóng không gian hay sóng tầng đối lưu.+ Phương thức truyền lan sóng không gian thường được sử dụng cho thông tin ở băng sóng cực ngắn (VHF, UHF, SHF), như truyền hình, các hệ thống vi ba như hệ thống chuyển tiếp trên mặt đất, hệ thống thông tin di động, thông tin vệ tinh

- Lan truyền sóng trời (sóng điện ly)

+ Lớp khí quyển ở độ cao khoảng 60 km đến 600 km bị ion hoá rất mạnh chủ yếu donăng lượng bức xạ của mặt trời, tạo thành một lớp khí bao gồm chủ yếu là điện tử tự

do và các ion Lớp khí quyển đó được gọi là tầng điện ly Tính chất đặc biệt của tầngđiện ly là trong những điều kiện nhất định có thể phản xạ sóng vô tuyến điện Lợi dụng sự phản xạ đó để sử dụng cho thông tin vô tuyến bằng cách phản xạ một hoặc nhiều lần từ tầng điện ly Phương thức đó gọi là phương thức truyền lan sóng trời hay tầng điện ly

- Lan truyền sóng tự do.

+ Trong một môi trường đồng nhất, đẳng hướng và không hấp thụ ví dụ như môi trường chân không, sóng vô tuyến điện khi truyền lan từ điểm phát đến điểm thu sẽ

đi theo đường thẳng, không ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng

+ Trong thực tế một môi trường lý tưởng như vậy chỉ tồn tại ngoài khoảng không vũ trụ Với lớp khí quyển quả đất chỉ trong những điều kiện nhất định, khi tính toán cũng có thể coi như môi trường không gian tự do

11 Cường độ điện trường tại điểm thu khi truyền sóng trong giới hạn nhìn thấy trực tiếp (Chú ý: Câu 37 đầy đủ hơn)

Cường độ điện trường tại điểm thu do tia tới trực tiếp truyền trong không gian tự do

sẽ là:

Chọn hệ toạ độ sao cho góc pha đầu của tia tới trực tiếp bằng 0

Cường độ điện trường tại điểm thu của tia phản xạ sẽ là :

Trong đó:

- r1 : đoạn đường đi của tia tới trực tiếp, bằng AB trên hình

- r2 : đoạn đường đi của các tia phản xạ, bằng AC + BC hình

- {r: là hiệu số đường đi của tia phản xạ và tia trực tiếp {r = r1-r2

- k : hệ số sóng bằng 2π/λ

- R : Hệ số phản xạ phức từ mặt đất: ´R=R e−jθθ, R là mô đun, θ góc pha phụ thuộc vào loại đất tại điểm phản xạ và phân cực của sóng Các giá trị này thường được tính sẵn bằng bảng hoặc đồ thị.

- GT1 và GT2 là hệ số khuếch đại của anten phát theo hướng tia trực tiếp và tia phản xạ

12 Anten đặt trong ĐK lí tưởng là gì

13 Xây dựng công thức mật độ công suất bức xạ cường độ bức xạ khi truyền sóng trong môi trường ko gian tự do

Giả thiết có một nguồn bức xạ vô hướng (đẳng hướng) có công suất phát PT(W) đặt tại điểm A trong một môi trường không gian tự do là môi trường đồng nhất đẳng hướng và không hấp thụ, có

hệ số điện môi tương đối ε' = 1 Xét trường tại một điểm M cách A một khoảng r (m).

Hình 1.9: Bức xạ của nguồn bức xạ vô hướng trong không gian tự do

Vì nguồn bức xạ là vô hướng, môi trường đồng nhất và đẳng hướng nên năng lượng sóng điện

từ do nguồn bức xạ sẽ tỏa đều ra không gian thành hình cầu Như vậy mật độ công suất (mật

độ thông lượng năng lượng) ở điểm M cách nguồn một khoảng r sẽ được xác định bằng công

thức sau:

Theo lý thuyết trường điện từ ta có:

r1 m2

A (PW )

Trong đó: E h (V/m), H h (A/m) là giá trị hiệu dụng của cường độ điện trường và từ trường ; 120π

là trở kháng sóng của không gian tự do (Ω)

Thay công thức (1.11) vào (1.10) được

là sự khuyếch tán tất yếu của sóng Để hạn chế sự khuếch tán này người ta sử dụng các bộ bức xạ có năng lượng tập trung về hướng cần thông tin để làm tăng cường độ trường lên Đó chính là các anten

có hướng, với hệ số hướng tính D hoặc hệ số khuếch đại G.

Nếu nguồn bức xạ có hướng, lúc đó năng lượng của sóng vô tuyến điện sẽ được tập trung về hướng điểm M được biểu thị bằng hệ số hướng tính hay hệ số khuếch đại như chỉ ra trên hình 1.10.

Trong trường hợp này mật độ công suất được xác định theo công thức:

khi đó cường độ điện trường sẽ được tính theo công thức:

Nếu sóng điện từ do nguồn bức xạ biến đổi điều hoà theo thời gian, nghĩa là theo quy luật sinωt,

cosωt, hoặc viết dưới dạng phức số e iωt thì giá trị tức thời của cường độ điện trường sẽ được biểu

thị bởi công thức

Trong đó: ω tần số góc của sóng

k = ω/c =2π/λ hệ số sóng (hệ số pha)

Nếu viết ở dạng phức công thức (1.16) có dạng:

Nếu biểu thị cự ly r (km), công suất phát P T (kW), ta sẽ có giá trị hiệu dụng của cường độ

trường:

Biên độ của trường là

và giá trị tức thời của cường độ trường

14 Thế nào là miền Fresnel, xác định bán kính của Fresnel thứ 1 và vùng ko gian tham chiếu ở quá trình truyền sóng giữa 2 điểm

Nguyên lý Huyghen cho phép xác định phần không gian thực sự tham gia vào quá trình truyền lan sóng Giả sử có một nguồn bức xạ được đạt tại điểm A và máy thu được đặt tại điểm B Lấy A làm tâm, ta vẽ một hình cầu bán kính r1 Hình cầu này là một trong sốcác mặt sóng Trên hình 1.13 ký hiệu r2 là khoảng cách từ B đến mặt cầu bán kính r1 Từ

B vẽ một họ các đường thẳng cắt mặt cầu ở các điểm cách B một khoảng bằng r2 +λ/2

Họ các đường thẳng này sẽ tạo thành một hình chóp nón cắt mặt cầu tại N1 và N ’ Bằng

cách tương tự ta lập các mặt nón bậc cao có

Giao của các mặt nón với mặt cầu là các đường tròn đồng tâm Miền giới hạn bởi các đường tròn gọi là miền Fresnel Miềm giới hạn bởi đường tròn N1 là miền; miền giới hạn bởi các đường tròn N1 và N2 là miền Fresnel thứ hai…(Miền Fresnel bậc cao)

Áp dụng nguyên lý Huyghen, ta coi mặt cầu là tập hợp những nguồn điểm thứ cấp và ta tính trường tạo bởi những nguồn ấy tại điểm B Các nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresnel thứ nhất sẽ tạo ra trường tại B có pha khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở

B một góc {ϕ < 1800 Pha của trường tạo bởi nguồn điểm thứ cấp trong miền Fresne bậc hai khác pha với trường do điểm N0 tạo ra ở B một góc 1800 < {ϕ < 3600 Một cách tổng quát có thể thấy rằng Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc hai khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ nhất 1800 Pha của trường tạo bởi miền Fresne bậc

ba khác pha với trường tạo bởi miền Fresnel thứ hai 1800 sự khác nhau ấy được biểu thị bởi các dấu cộng, trừ trên hình vẽ

Người ta chứng minh được rằng tác dụng của các miền Fresnel bậc cao nằm kề nhau sẽ

bù trừ cho nhau do pha của chúng ngược nhau nên cuối cùng tác dụng tổng hợp của tất

cả các miền Fresnel bậc cao gần như chỉ tương đương tác dụng của khoảng nửa miền Fresnel thứ nhất

Như vậy, khoảng không gian có tham gia vào quá trình truyền sóng có thể xem như được giới hạn bởi một nửa miền Fresnel thứ nhất Các vùng Fresnel có thể được xây dựng trên các bề mặt có hình dạng bất kỳ Để thuận tiện ta chọn bề mặt để lập miền Fresnel là mặt phẳng S0 Mặt phẳng này vuông góc với phương truyền lan AB (hình 1.14)

Theo định nghĩa ta có:

Mặt khác ANn và BNn có thể được xác định theo hình học

Ta có bán kính miền Fresnel tính gần đúng bằng

Đối với vùng Fresnel thứ nhất, n = 1, nên

Khi ta dịch chuyển mặt phẳng S0 dọc theo đường truyền lan từ A đến B, giới hạn củamiền Fresnel sẽ vạch ra một mặt elipsoit Ở đây, ta chỉ xét miền thứ nhất Ta có

Đây chính là phương trình của hình elipsoit với các tiêu điểm A và B (hình 1.15) Khoảng không gian tham gia vào quá trình truyền lan sóng được giới hạn bởi ½ miềnFresnel thứ nhất Trong hình vẽ, khoảng không gian này được đánh dấu bởi các đường kẻ song song

15 Định nghĩa , biểu thức tổn hao truyền song , tìm CT tổn hao trong không gian tự do, tổn hao trong truyền song cơ bản

Khi sóng vô tuyến điện truyền trong một môi trường, ngoài tổn hao do môi trường gây ra như bị hấp thụ trong các phân tử khí, trong hơi nước , tổn hao do tán xạ do mây mưa, tổn hao do vật chắn v.v thì sự suy hao lớn nhất chính là do sự khuyếch tán tất yếu của sóng ra mọi phương và được gọi là tổn hao không gian tự do

Nếu ta bức xạ ra môi trường một công suất PT, anten thu chỉ nhận được một công suất PR, thì

hệ số tổn hao truyền sóng được định nghĩa bằng tỉ số của công suất bức xạ trên công suất anten thu nhận được, được biểu thị bằng biểu thức:

Trong trường hợp không có tác động tính hướng của nguồn, nghĩa là GT=1, GR=1, tổn hao được gọi là tổn hao truyền sóng cơ bản trong không gian tự do, và bằng:

Tính theo đơn vị dB ta được:

16 Trình bày ảnh hưởng của mặt đất đến dẫn điện lí tưởng khi chấn tử đối xứng đặt thẳng đứng trên chúng

Hình 5.12 Đồ thị phương hướngcủa chấn tử đối xứng đặt vuông góc trên mặt đất

17 Điều kiện phản xạ , khúc xạ sóng vô tuyến khi lan truyền sóng trong tầng điện ly

18 Trình bày ảnh hưởng của mặt đất dẫn lí tưởng đến chấn tử đối xứng nằm ngang

Coi là hai chấn tử đối xứng có dòng điện ngược pha

Xác định cường độ trường tại M cách xa chấn tử

E1=E0.F0(Δ)

F0(Δ)¿cos(kl sin)−cos(kl)

(1−cos (kl)) cos (với chấn tử đối xứng đặt thẳng đứng)

F0(Δ) = 1 (với chấn tử đối xứng đặt nằm ngang)

E2=E1R pxⅇi (❑px−2 k h sin)

E =E1+E2=E0 F0(Δ¿ ¿ ¿]

|E|=E0 F0( Δ)√1+R2px+2 Rpxcos( ❑px−2 k h sin)

E0 : cường độ trường của chấn tử ở hướng bức xạ cực đại

F0 (): hàm tính hướng chuẩn hóa của chấn tử trong mặt phẳng khảo sát

E1 : biên độ cường độ trường của chấn tử đối xứng trong không gian tự do : hướng khảo sát

Chấn tử đối xứng đặt nằm ngang trên mặt đất

Chấn tử đặt nằm ngang nên ở mặt phẳng vuông góc với trục và đi qua tâm chấn tử có F0 () =1

Với mặt đất dẫn điện lý tưởng có R px = 1 và ❑px = Suy ra:

|E|=E0√2[1+cos (−2 k h sin )]

F () = sin (k.h.sin )

F () thể hiện ảnh hưởng của mặt đất thông qua chấn tử ảnh

Đồ thị phương hướng của chấn tử đối xứng đặt nằm ngang trên mặt đất

19 Tìm bán kính cong của tia sóng khi truyền trong tầng đối lưu không đồng nhất

Trong tầng đối lưu không đồng nhất, nếu có một tia sóng truyền đi không song song với mặt đất thì nó sẽ bị khúc xạ liên tiếp Kết quả là tia sóng

bị uốn cong, hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ khí quyển Ta sẽ xác định bán kính cong của quỹ đạo sóng khi có khúc xạ khí quyển Khảo sát hai lớp khí quyển kề nhau có chiết suất khác nhau một lượng dn, và dh là bề dày của lớp khí quyển có chiết suất n + dn

Hình mô tả các thông số tính bán kính cong của tia

Giả thiết ta bức xạ một tia sóng có góc tới đi xuyên qua khoảng dh tới lớp có chiết suất n + dn với góc tới + d Bán kính cong của tia sóng sẽ bằng:

Khai triển vế phải và bỏ qua các đại lượng nhỏ bậc hai ta có:

n sin= n sin + n cosd + sindn

Nên: cosd =− ¿ sin dn

và được gọi là khúc xạ âm Nếu chiết suất giảm theo độ cao ( dn dh <0), bán kính cong có giá trị dương, quỹ đạo sóng sẽ có bề lõm quay xuống dưới và được gọi

là khúc xạ dương Nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao, tia sóng sẽ đi thẳng

20 Khảo sát trường bức xạ của hệ 2 chấn tử đối xứng đặt gần nhau trong

trường hợp chúng được kích thích bởi các dòng điện đồng biên , đồng pha

Các dòng điện đồng biên, đồng pha ⇒ a2= 1, 2= 0Hàm tính hướng tổ hợp của hệ thống được xác định bằng:

Hướng bức xạ cực đại được xác định từ điều kiện:

kdcosθ max = ± 2nπ

hoặc cosθ max= ± nλ d

trong đó n=0,1,2,…; với n ≤ d/λ

Vì cosθ max < 1 nên nλ/d < 1 suy ra n < d/λ

Khi n = 0, ta có θ max = 900 không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai chấn tử Điều này được giải thích như sau: theo các hướng θ = ± 900 trường bức xạ của hai chấn tử không có lệch pha về đường đi Đồng thời dòng điện kích thích trong hai chấn tử lại đồng pha nên sai pha dòng điện cũng bằng không Kết quả trường bức xạ của hai chấn tử ở hướng θ = ±90 0 đồng pha và trường tổng

sẽ có giá trị cực đại và gấp đôi trường của một chấn tử

Các hướng bức xạ bằng không, được xác định từ điều kiện

21 Tính cường độ điện trường ở vùng xa khi chấn tử đặt trong không gian tự do

Chia chấn tử thành các đoạn dz vô cùng bé (dz<< λ), xét trường do đoạn dz gây ra tại M Vì dz << λ nên nó tương đương như một dipol điện với dòng diệntrên nó là I z

Trong ó: đó: I b là biên độ dòng điện ở điểm bụng sóng đứng (ghi chú: i)

l là độ dài một nhánh chấn tử ( ghi chú: chữ lờ) Điện trường tại M do dz trên hai nhánh chấn tử gây ra được xác định theo công thức:

Hình mô tả các thông số tính trường bức xạ của chấn tử đối xứng trong không gian tự do

Thay (3) và (1) vào (2) và bỏ qua đại lượng vô cùng bé ở thành phần biên độ,

ta có:

d ´E1= i60 π I b dz

r0λ sinθ sin k (l−z)e−ik (r0 −zcos θ) ´i θ

d ´E2= i60 π I b dz

r0λ sinθ sin k (l−z)e−ik (r0 +zcos θ) ´i θ

Điện trường do hai đoạn dz vô cùng bé trên hai nhánh của chấn tử đối xứng gây ra tại M sẽ là:

d´E= d ´E1+ d ´E2

r0λ sinθ sin k (l−z)e−ik r0 2cos(kzcosθ) ´i θ

Điện trường do toàn bộ chấn tử gây ra tại M sẽ tìm được bằng cách lấy tích phân điện trường do dz ở trên hai nhánh chấn tử gây ra tại M, trong toàn bộ chiều dài của một nhánh:

Các dòng điện đồng biên, đồng pha ⇒ a2= 1, 2= 1800

Hàm tính hướng tổ hợp của hệ thống được xác định bằng:

f k(θ) = 1+e(i k d cos θ+π )

Hay